樁基礎變剛度調平設計應用

成 琪

(晉城市建筑設計院，山西 晉城 048000)

樁基礎變剛度調平設計應用

成 琪

(晉城市建筑設計院，山西 晉城 048000)

結合工程實例，通過分析工程地質條件，確定了高層建筑均勻布樁的變剛度調平設計理念，闡述了具體的設計原理及方法，總結了樁基采用變剛度調平設計后的優點。

樁基礎,變剛度調平，基礎設計

1 工程概況

工程為晉城市華都文化娛樂有限公司商業服務樓,總建筑面積20 800.87 m2。主體結構形式為框架核心筒結構,結構高度62.550，地下2層,地上15層。建筑結構安全等級為二級，結構設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度(0.05g),設計地震分組為一組，基礎采用樁筏基礎。

2 工程地質條件

根據2013年7月晉城市規劃設計研究院提供的《晉城市華都文化娛樂有限公司商業服務樓巖土工程勘察報告》，場地土層分布見表1。

表1 土層分布情況

3 變剛度調平設計

高層框筒結構呈現核心筒區剛度和荷載大，周邊框架剛度和荷載小，上部結構剛度和荷載極不均勻。采用均勻布樁與厚筏板支承上部結構，根據資料表明已建成的建筑其沉降呈現內大外小蝶形分布，樁頂反力呈現內小外大馬鞍形分布，蝶形差異沉降明顯引起基礎開裂，影響正常使用要求，為減小蝶形差異沉降只能增加筏板厚度，提高基礎配筋以增大基礎的抗彎剛度來抵抗地基變形，這樣既不經濟效果又不理想。沉降變形出現內大外小蝶形分布的原因主要是由于天然地基內均勻布樁時樁基豎向剛度是均勻的；支承于樁基上的建筑物筏板，其剛度并非無限剛，筏板受上部建筑均布荷載作用后，土和樁、承臺的相互作用形成群樁效應導致地基或樁群的豎向支承剛度出現外強內弱逐步遞減的變化。如果中部荷載越高，則差異沉降表現更加顯著。

針對高層建筑均勻布樁帶來的差異沉降問題，采用變剛度調平設計理念。變剛度調平設計就是根據初始布樁考慮地基基礎與上部結構的共同作用，分析計算沉降等值線，實施變樁距或變樁徑、變樁長布樁，調整樁土支承剛度分布，使荷載相對大的部位樁基剛度增強，荷載相對小的部位樁基剛度減弱，優化樁基剛度，達到沉降和內力平衡、協調，實現差異沉降減小，減小基礎內力和節約建筑材料。《建筑樁基技術規范》3.18條規定對于框架—核心筒結構高層建筑樁基，應采取加強核心筒區域樁基剛度(例如通過增加樁基長度、樁基直徑、樁基數量、采用樁底及樁側后壓漿等措施提高樁基剛度)，核心筒外圍樁基剛度減弱(例如通過減小樁基長度、樁基數量等措施減小樁基剛度)，對變剛度調平設計的樁基，應進行上部結構與承臺、樁及土協同受力分析。

4 基礎設計

本工程基底標高為-10.200 m,建筑總重量336 320 kN,基底平均壓力P=270 kPa,核心筒荷載為136 083 kN,持力層為第③層粉質粘土,天然地基承載力標準值fak=150 kPa,采用天然地基承載力和變形均不滿足，持力層第③層粉質粘土需地基處理，如采用水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)處理，地基土層中存在碎石層和卵石層,CFG樁無法穿透。如采用大直徑人工成孔擴底灌注樁，碎石層內含地下水，施工期間需降水，碎石層滲透系數大，涌水量大，護壁隔水困難，嚴重威脅樁孔安全。綜合分析后基礎采用樁筏基礎設計。樁基采用旋挖成孔灌注樁，根據變剛度調平設計的原則加強核心筒區域樁基剛度，采取樁長加長，減弱核心筒外圍樁基剛度，采取樁長減小。核心筒區樁徑800，樁距2.4 m，樁長23 m，單樁承載力特征值為3 000 kN,外圍框架樁徑800，樁距2.6 m，樁長15 m，正方形布置,單樁承載力特征值為2 100 kN。樁位布置見圖1。

基礎計算采用中國建筑科學研究院的結構計算軟件PKPM中的JCCAD模塊進行樁筏有限元分析，考慮上部結構、基礎及地基共同受力計算分析，基礎計算考慮SWATE計算上部結構傳至基礎的剛度、樁—土剛度、筏板剛度，采用計算方程([K]上部結構凝聚剛度+[K]樁—土凝聚剛度+[K]筏板剛度){δ筏板位移}={P}上部結構荷載+{P}筏板荷載計算。樁筏基礎沉降采用《建筑地基基礎設計規范》附錄Mindlin理論方法計算，沉降值見圖2。

在設計過程中分別采用樁基變剛度設計和采用均勻布樁設計的筏板及地梁進行了對比，采用樁基變剛度設計的筏板及地梁內力比采用傳統均勻布樁設計的筏板及地梁內力小了大約20%～30%。樁基采用變剛度調平設計后，實現墻、柱荷載與樁土抗力局部平衡，消除馬鞍形反力分布，減小筏板沖切、剪切、彎矩等內力，剛度弱化區采用天然地基，減少用樁數量，降低建筑材料使用量，節約能源消耗，可取得明顯的經濟效益。

5 設計建議

框筒結構基礎設計采用樁筏基礎時宜采用上部結構—筏板—樁土共同作用計算分析,增強核心筒區域樁基剛度,相對減弱周邊框架基礎下樁基剛度,調整樁基布置使核心筒與周邊框架相對沉降差減至最小,達到減小筏板地梁抵抗變形內力,從而減小筏板地梁配筋，同時也減少樁數量達到節省造價目的。

[1] JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[2] 姜文輝.巢斯上海中心大廈基礎變剛度調平設計[J].建筑結構,2012,42(6):131-134.

[3] 劉金波.建筑樁基技術規范理解與應用[M].北京：中國建筑工業出版社,2008.

The application of variable stiffness leveling design of pile foundation

Cheng Qi

(JinchengArchitecturalDesignInstitute,Jincheng048000,China)

Combining with the engineering example, through the analysis on engineering geological conditions, this paper determined the variable stiffness leveling design concept of high-rise building uniformly pile layout, elaborated the specific design principles and methods, summarized the advantages of pile foundation using variable stiffness leveling design.

pile foundation, variable stiffness leveling, foundation design

1009-6825(2015)32-0078-02

2015-09-09

成 琪(1979- )，男，工程師

TU473.1

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